基于田间地面不平度测试装置的激光传感器标定

王利娟，闫建国，张 永，崔红梅，刘海洋

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

田间地面不平度是引起农业机械振动的主要激励源，振动不仅严重危害操作人员的身体健康[1]，且使农业机械的机身、零部件长时间承受较大的动载荷，加速了机械部件的疲劳损坏，导致农业机械维修次数的增加和使用寿命的缩短，从而影响和制约农业机械的作业效率[2-3]。在分析农用车辆的振动特性时，需获得田间地面不平度信息和车辆的振动传递特征，后者可通过理论计算或实验分析的方法获得，但前者需通过实验测试后统计分析得到[4]。因此，测试和研究田间地面不平度可为研究农业机械振动特性、改善和提高其舒适性能提供重要依据。

目前，田间地面不平度的测取还没有成熟的商业产品，已有的测试装置大多是对田间地面不平度的静态测试[5-6]。该方法测试效率较低，主要用于土壤风蚀等研究。开发的田间地面不平度动态测试装置基本都附带于农业机械的后方[7-8]，尽管能够实现田间地面不平度的动态测试，但不能解决田间地面不平度数据与由该不平度引起的拖拉机动态响应数据适时对应的问题，不利于准确研究农业机械与田间地面的耦合作用机理。

为解决上述问题，笔者设计开发了一种田间地面不平度测试装置，能够有效克服现有测试装置存在的缺陷。该装置通过激光传感器来测取地面的不平度数据，因此激光传感器的精确标定是测试装置不平度数据准确采集的基础和保障。根据田间地面不平度测试装置的结构特点，提出了该测试装置中激光传感器的标定方法(即分段拟合标定方法)，并通过在田间高粱茬地的不平度检验，验证了此标定方法的可行性和测试装置的可靠性。

1 田间不平度测试装置的结构与工作原理

1.1 测试装置的结构

田间地面不平度测试装置主要由测试机构和数据采集系统两部分组成。测试机构主要由拖拉机连接座、牵引横梁、传感器横梁、地轮、平行四边形导引机构和不平度感应片等部分组成，如图1所示。其中，拖拉机连接座由平台、安装座及连接杆等组成，平行四边形导引机构由上铰接板、下铰接板、地轮导杆和套筒导杆等组成。

数据采集系统主要由左右激光传感器、1～4号加速度传感器、GPS测速传感器、信号调理单元、模拟多路开关、硬件积分器、高速数据采集处理器、RS232通信接口Ⅰ、RS232通信接口Ⅱ、PC机和电源管理模块组成，如图2所示。

1.2 测试装置的工作原理

图1中，不平度测试机构通过拖拉机连接座上的连接杆安装于拖拉机前方的配重块中，两根平行设置的牵引横梁通过销子连接在拖拉机连接座上，在牵引横梁的两端通过地轮导杆各安装1个平行四边形导引机构，每个平行四边形导引机构的底部安装1个地轮座，地轮则安装在地轮座上。整个测试机构是由两个直径为30cm的地轮所支撑，不平度感应片安装在地轮座的上部。在测试过程中，地轮可跟随地面高程变化而相对于测试机构上下运动，由平行四边形导引机构确保地轮座上部的不平度感应片在地轮上下运动时始终保持平行于地平面。地轮弹簧可确保地轮和测试地面时刻保持接触，整个测试架由铝合金材料制成，质量较小，可近似认为地轮不改变地表形状，测量的结果可有效反应田间地面的不平度。两个激光传感器安装在传感器横梁上，并分别与两侧的不平度感应片相对应，即布置在不平度感应片的正上方，用来测试传感器横梁和不平度感应片之间的距离。通过激光传感器测试不平度感应片的垂直位移来测得田间地面的原始不平度，避免了田间杂草或作物根茬对地面不平度测试的影响，特别适合对草地、免耕留茬地等田间地面不平度的测试。地轮间距及平行四边形导引机构与牵引横梁的相对高度均可通过中部调节套筒和端部调节套筒来调节，以测试不同宽度的平行轨迹的地面不平度。

数据采集系统用于测试和采集田间地面不平度数据。其中，激光传感器通过信号调理单元连接到高速数据采集处理器；1～4号加速度传感器安装在拖拉机车轮中心部位的车桥上，通过模拟多路开关、硬件积分器连接到高速数据采集处理器上，用于测试拖拉机车轮振动而间接获取测试地面的有效不平度；GPS速度传感器安装于拖拉机驾驶室顶部，用于测试拖拉机的行驶速度，通过RS232通信接口Ⅰ与高速数据采集处理器连接。数据采集处理器通过RS232通信接口Ⅱ与PC机实现通信，利用LabVIEW软件编程，将根据从PC机接收到的采集控制命令对模拟多路开关、硬件积分器和所有传感器数据实现动态采集和记录；同时将所采集的各传感器的测量数据返回到PC机，由PC机进行初步分析处理，并实时显示。电源管理模块对供电电源进行电压转换和滤波，以满足所有传感器、PC机和高速数据采集处理器的工作电压。基于该不平度测试装置的结构特点，可扩展和开发车辆振动响应信号的同步数据采集，为进一步研究地面不平度与车辆耦合振动奠定基础。

2 激光传感器的标定

激光位移传感器具有测试精度高和性能稳定等特点，在地面不平度测试中也有广泛应用[6]，而传感器的精确标定是后续数据测试的基础和保障，因此在使用传感器前必须对其性能指标进行试验标定，以提高不平度测试的准确性。

1.传感器横梁 2.拖拉机连接座 3.牵引横梁 4.激光传感器 5.端部调节套筒 6.上铰接板 7.中部调节套筒 8.地轮导杆 9.套筒导杆 10.下铰接板 11.端板 12.地轮 13.地轮座 14.侧耳 15.螺纹杆 16.螺母 17.地轮弹簧 18.不平度感应片

图2 数据采集终端的结构框图Fig.2 Block diagram of data acquisition system

2.1 传感器的标定原理

传感器的标定就是通过试验建立传感器输出与输入之间的对应关系，并确定在不同使用条件下的误差关系。其标定方法是利用标准设备产生已知非电量(即标准输入量)，对被标定传感器的相应输出量进行测试，并与标准输入量进行比较，作出标定曲线，从而得到传感器的实际测量结果，最后推断出所标定传感器的各项性能指标[9]。

2.2 传感器的型号与接线

文中设计的不平度测试装置所用的测距仪器是美国邦纳LT3NU W/30型激光位移传感器，测试精度1mm，最大采样频率450Hz，测试距离范围是0.3～5m，对应的模拟量输出电压范围是0～10VDC信号。LT3NU激光测距仪接线图如图3所示。选用0～10V模拟量输出进行标定，棕色端接24V DC正极端，蓝色端接24V DC 负极端，白色端和绿色端分别接DCS500模拟量输入通道的正极端和负极端，屏蔽线接GND。

图3 LT3NU激光测距仪接线图Fig.3 Wiring diagram of LT3NU laser sensor

2.3 激光传感器的标定设计

工程测试中，传感器的标定应结合其使用特点和条件，根据测试目标距离范围确定传感器的标定位移范围，使0～10V的传感器输出电压分布在测试所需的目标距离范围，实现小的距离范围对应有大的传感器信号电压输出特征，达到提高位移测试精度的目标。同时，根据测试农田地面的不同特征，不平度测试分别采用直接测试法和间接测试法，两种测试方法的测试距离范围也有所差别，因此采用分段拟合标定法来进一步提高田间地面的不平度测试精度。

本文所用激光位移传感器安装于农田地面不平度测试装置的传感器横梁上(见图1)，距离地面的高度是1.15m，与地轮上方的不平度感应片之间距离是0.75m。根据测试农田地面特征的不同，不平度测试分别采用直接测试法和间接测试法。直接测试法是传感器直接测试地面的高程变化来测得地面不平度，适用于测试田间路面或没有植物的地面不平度；间接测试是通过测试不平度感应片的高度变化来测得地面不平度，适用于测试田间有杂草或作物根茬的地面不平度。

根据ISO8608对路面不平度的分级[10]，8级路面(即不平度最大的H级路面)的位移高程均方根值为487.22×10-3m。已有研究表明，农田地面不平度多数介于C级、D级和E级之间[7]，因此农田地面不平度高程变化范围不超过0.1m，由此确定在直接测试中传感器的位移范围是1.1～1.2m；为留有测试余量，标定范围确定为1.05～1.3m，在间接测试中传感器的位移范围是0.7～0.8m，为留有测试余量，标定范围确定为0.6～0.85m。因此，确保传感器在0.6～1.3m范围内的测试精度对该不平度测试装置的测试准确性是非常关键的。

激光位移传感器的测试距离范围是0.3～5m，对应的模拟量输出电压范围是0～10VDC信号，而在该不平度测试系统中所需的测试距离范围是0.6～1.3m。为了既能完成实测任务，留有一定的测试余量，又能保证传感器的测试精度，选择其最小的标定位移值为0.3m，最大的标定位移值为2.2m。在该位移范围先整体标定，然后再采用分段拟合标定法，比较两种标定法的测试效果。

2.4 激光传感器的标定步骤

激光传感器由激光传感器、万用表、1号标定杆、2号标定杆、激光传感器固定座及激光感应板(粘贴有白色相纸)组成，如图4所示。

1.万用表 2.激光感应板 3.1号标定杆 4.激光传感器 5.激光传感器固定座 6.2号标定杆

图4中，1号标定杆与2号标定杆保持垂直放置，传感器固定在传感器固定座上、万用表的正负极分别与传感器白色端和地端连接。根据LT3NU激光位移传感器的标定说明，标定操作步骤如下：

1)在LT3NU激光位移传感器的显示面板上，按TEACH示教键，进入示教模式，此时TEACH绿色指示灯点亮；

2)将激光感应板放置在最小位移值0.3m位置处，定稳后再按TEACH示教键，标定最小值，此时TEACH绿色指示灯闪烁；

3)再将激光感应板放置在最大位移值2.2m位置处，定稳后再按TEACH示教键，标定最大值，此时TEACH绿色灯熄灭，标定完成；

4)将激光感应板放置在所设计的测量点位置处，利用激光传感器进行测量，读出万用表读数，验证标定结果是否正确。

以1号激光位移传感器的标定为例，按照上述步骤，0.3～2.2 m范围传感器标定结果如表1所示。

表1 激光传感器在0.3-2.2 m范围的标定参数Table 1 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.3-2.2 m

选取表1中所列出的标准距离，采用万用表测量出激光传感器对应的输出电压值。利用最小二乘法将标准距离和传感器输出电压拟合得到传感器的特性方程为y=0.190x+0.286，x是传感器电压(V)，y是测试距离(m)，如图5所示。根据拟合方程可以得到对应传感器输出电压的计算距离，便可求得0.3～2.2m的传感器测试范围内绝对误差为2.8～21.9mm。

图5 激光传感器在0.3～2.2m范围的拟合图Fig.5 Fitting diagram of laser sensor in 0.3-2.2 m range

提高传感器测试的精确性是传感器标定的目标，为了减少测量误差，使得传感器的测试结果更准确，根据不平度测试装置的实际需要，直接测试中传感器的标定范围为1.05～1.3m，间接测试中传感器的标定范围为0.6～0.85m。因此，采用分段拟合标定方法，即选取0.6～0.85m范围内的标准距离值与传感器输出电压值进行拟合，得到的传感器特性方程为y=0.222x+0.222，如图6所示。根据拟合方程可得到计算距离和误差值，如表2所示。选取1.05～2.2m范围内的标准距离值与传感器输出电压值进行拟合，得到的传感器特性曲线为y=0.1971x+0.2396，如图7所示。根据拟合方程可以得到计算距离与误差值，如表3所示。

图6 激光传感器在0.6～0.85m范围的拟合图Fig.6 Fitting diagram of laser sensor in 0.6～0.85 mrange

表2 激光传感器在0.6～0.85m范围的标定参数Table 2 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.6～0.85m

图7 激光传感器在1.05～1.3m范围的拟合图Fig.7 Fitting diagram of laser sensor in 1.05～1.3mrange

由图6可以看出：其拟合方程在0.6～0.85m范围内呈现较好的线性特征，各测量点较理想的落在拟合线上。由表2可以看出：该拟合方程使传感器在0.6～0.85m范围测试时的绝对误差为0.5～5mm，而采用整段标定法时传感器在0.6～0.85m范围的误差为5.2～21.9mm(见表1)。因此，分段拟合标定法明显减小了测试误差，保障了不平度测试装置在间接测试地面不平度时的准确性。

由图7可以看出：其拟合方程在1.05～1.3m范围内呈现较好的线性特征，各测量点均较理想的落在拟合线上。由表3可以看出：该拟合方程使传感器在1.05～1.3m范围测试时的绝对误差是0～0.9mm，而采用整段标定法时传感器在1.05～1.3m范围的误差是8.2～11.3mm(见表1)。可见，分段拟合标定法明显减小了测试误差，保障了不平度测试装置在直接测试地面不平度时的准确性。

表3 激光传感器在1.05～1.3m范围的标定参数Table 3 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 1.05～1.3m

采用分段拟合标定方法，提高了激光传感器的测试精度，保证了测试装置测量结果的准确性。2号激光位移传感器的标定方法也采用类似于1号传感器的标定方法。

3 传感器动态检验田间试验

3.1 动态检验方法

为了验证传感器标定的准确性及不平度测试装置的测试效果，在高粱茬田地上对检验装置的轮廓进行测试。检验装置是两个木制的梯形凸台，尺寸如图8所示。

图8 梯形凸台尺寸Fig.8 Trapezoidal bump dimensions

其中，0.7m和0.9m的凸台分别放置于左右两侧，不平度测试装置的左右地轮分别经过左右凸台，通过比较凸台的测量轮廓与实际轮廓之间的差异来验证，该方法通常可用于不平度测试装置测试效果的检验[11]。拖拉机附带不平度测试装置的测试速度保持在1km/h。测量轮廓与实际轮廓之间的差异可以用均方根误差(RMSE)来表示。

其中，ymi是与i时刻对应的凸台轮廓的测量值；yai是与i时刻对应的凸台轮廓的实际值；n是凸台点的测量点数。

3.2 检验结果

不平度测试装置在高粱茬地中的检验如图9所示，测得的凸台轮廓较好地贴合检验凸台的实际轮廓。其中，0.7m凸台和0.9m凸台的实际轮廓的均方根值RMS分别为78.6mm和74.5mm，测试装置在高粱茬田间的测量轮廓均方根值RMS分别为 79.8mm和76.2mm，左右两凸的均方根误差RMSE分别为3.4mm和4.5mm。测试装置在高粱茬田间的不平度测试有效性检验中的均方根误差RMSE均不超过6mm，所以凸台测试的均方根误差RMSE相对于其均方根值RMS很小。田间试验结果表明：所设计的不平度测试装置及其激光位移传感器的标定方法能够满足田间地面不平度测试的要求。

图9 测试装置在高粱茬田间不平度的有效性检验Fig.9 Validity check of profling test in sorghum stubble field

4 结论

1)开发了一种田间地面不平度测试装置，利用激光传感器测量不平度感应片的垂直位移来获取田间地面的原始不平度，避免了田间杂草或作物根茬对测试结果的影响，提高了田间地面不平度的测试效率。其安装于拖拉机前方的测试机构与拖拉机实现同步运行，保证了田间地面不平度数据与由其引起的拖拉机动态响应数据的实时对应，使田间地面不平度的测试更具现实意义。

2)根据不平度测试装置的测试位移范围，提出了分段拟合标定方法。在0.6～0.85 m范围内，传感器的测试误差范围由5.2～29.1mm减小为0.5～5mm；在1.05～1.3m范围内，传感器的测试误差范围由8.2～11.3 mm减小为0～0.9mm。由此保证了测量结果的准确性。

3)通过两个尺寸已知的木制梯形凸台对测试装置的测试效果进行检验，在高粱茬田地中，左右两凸台的RMSE值分别为3.4mm和4.5mm，满足田间地面不平度测试的要求。